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1、一种新型的密封技术 陶瓷密封 童幸生(江汉大学 武汉 430019) 摘要:针对密封装置中存在的问题,概述了密封技术的种类和方法,从选用工程陶瓷材料制作密封元件出发,论 述了陶瓷材料的密封特性,并举出了工业上使用密封结构的实例,说明利用工程陶瓷制作密封元件是可行的。 关键词:工程陶瓷 密封技术 流体 泄漏 A New Seal TechnologyCeramics Seal Tong Xingsheng(Jianghan University , Wuhan) Abstract : According to the problems exsisted in sealing devices ,
2、this paper introduces the types and methods of seal technology1And starting from selecting engineering ceramic materials as sealing elements , it describes the sealing characteristics of the ceramic material , and takes examples of sealing structure used in industry and shows that using engineering
3、ceramic materials as seals is feasible1 Keywords : Engineering Ceramics Seal Technology Fluid Leakage 密封是工业领域中常用的技术手段,它能在流体 输送系统中,切断流体(或介质)通道,堵塞或隔离 流体通道,阻止流体的外泄。在工业生产领域里,密 封装置是机械设备中的主要部件,整个机组的可靠性 取决于密封装置的工作能力,由于流体介质的不断冲 刷,温度、压力、振动的变化,直接对密封装置进行 作用,如果密封装置的工作性能差,会带来密封失 效,流体介质随之外泄,造成“跑、冒、滴、漏”现 象,会造成能源物流
4、的损失,环境的污染。如果流体 介质属于易燃、易爆、有毒的流体介质,则会严重地 威胁着设备和人身的安全。因此采取先进的密封装置 是解决上述问题的关键,密封技术的研究与应用对工 业生产来说具有相当重要的意义。 1 密封技术概述 密封技术主要是指使用一定的密封材料、密封元 件与相应的密封结构形式的组合,来阻止或切断介质 间传质过程的一种手段。按照密封面是否接触,可把 它分为以下两种类型 : 1) 接触性密封:它是借助于 密封力使密封面互相接触嵌入以减少或消除间隙的各 类密封,如压盖填料、油封、机械密封、滑环密封 等。 2) 非接触性密封:它是密封面间预留固定的装 配间隙,无需密封力压紧密封面的各类密
5、封,如浮动 环密封、迷宫密封、气垫密封等。 还可根据结合面的静止状态分为静密封和动密 封。静密封包括接触型密封和非接触型密封,而动密 封是指原有的密封结构一旦失效或设备、管道出现孔 洞、流体介质正处于外泄的情况下,采用特殊手段所 实现的一种密封途径。如注剂式带压密封技术、带压 粘接密封技术、带压焊接密封技术等。在一般工业设 备中,为了达到良好的密封效果,大都采用的是静密 封型式。从密封装置的设计出发,首先要考虑的是静 态密封,其次要考虑的是严密、可靠、工作寿命长。 并力求结构紧凑、系统简单、制造维修方便、成本低 廉。 密封的本质在于阻止密封空间与周围介质的质量 交换,实际上是防止物流的泄漏问题
6、。而造成泄漏的 原因一般有:一是密封面上有间隙:二是密封两侧有 压力差或浓度差。消除(或减轻)任一因素均可阻止 (或减少)泄漏,所以密封技术的关键在于消除各种 零件连接处间隙的泄漏。 机械设备中的连接处要实现密封,方法很多,其 中主要可采用以下几种方法 : 1) 接触零件的紧密配 合,这种方法在于最大限度地保证连接表面轮廓相吻 合,即连接表面处在加工过程中,使之达到最小的表 面粗糙度。 2) 连接处承受压力,使接触部位微观不 平部分产生变形。 3) 利用辅助介质填充间隙,以防 止密封介质的泄漏。 4) 外加电磁场,使其与连接处 间隙中的介质相互作用。 5) 利用惯性力和旋涡力, 形成阻碍密封介
7、质流动的阻力。 6) 利用焊接、钎焊、 粘结等方法形成永久性连接。 无论采用何种方法密封都必须要保证在连接处所 要求的工作时间内,完成规定功能,达到一定的工作 寿命,同时要考虑密封装置从设计到工艺和使用的工 艺性能、生产成本等。 在目前工业上所使用的密封装置(或密封元件) 来看,大多存在着密封性能差,容易腐蚀,工作寿命 短等缺陷。究其原因,在密封装置中一件密封体或密 封元件大都由金属材料制成,由于流体介质中包含着 26润滑与密封 各种化学物质必然会对密封体和密封元件进行冲刷、 侵蚀。其结果就会造成密封元件被腐蚀,而使其功能 下降,造成流体介质的泄漏。由此看出,密封装置 中,密封元件是其主要零件
8、,而密封元件的材料组成 是决定密封性能好坏的关键。所以,从密封元件材料 入手,改进现有密封技术,是解决流体介质的泄漏的 一个很重要的方面。 2 陶瓷材料新技术 陶瓷密封是由工程陶瓷材料制成密封元件所组成 的密封装置来阻止流体介质泄漏的一项技术,近几十 年来工程陶瓷材料在国民经济各个领域中的应用已得 到很大的发展,它具有比重小、熔点高、硬度高、化 学稳定性好、耐腐蚀等优点,将它作为机械设备中的 某个零件已有逐步取代金属材料之势。 (1)陶瓷材料的基本性能 用于密封装置中的陶瓷材料用普通陶瓷材料是不 行的,应采用工程陶瓷(即结构陶瓷 ) , 其主要种类 有Al2O3、ZrO2、SiC等。这些工程陶
9、瓷材料大都是离 子键和共价键极强的材料,它们与金属和聚合物相比 具有熔点高、抗腐蚀和抗氧化性好、硬度和高温强度 高等优点。在传统的密封元件中,常用金属材料的刚 性密封和非金属的“弹塑性”密封,都存在着耐腐 蚀、耐温能力差,使得密封元件寿命较低。工程陶瓷 材料作为密封元件因耐温高、硬度高,化学稳定性好 等优点已得到越来越广泛的应用。就目前状况而言, 工程陶瓷材料如氢化物瓷,碳化物瓷等作为机构密封 摩擦副,镶嵌瓷环等已经应用得较普遍,但却只是作 为单体件在有些产品上应用。作为相互配合的密封元 件,还比较少见。随着工程陶瓷开发与研究,其增 韧、增强的技术提高,其良好的综合机械性能为工程 陶瓷材料的应
10、用提供了广阔的前景,表1为常用工程 陶瓷材料常温下的性能。 表1 几种常见工程陶瓷的机械性能 材料 性能 密度 (g/ cm3) 硬度 HRA 抗弯 强度 (MPa) 耐压 强度 (MPa) 断裂韧性 (MPa m1/ 2) 最高使用 温度() Al2O3(98 %)317288350206881061750 ZrO2516584735210071132100 SiC3119355031384161650 从表1可看出,几种陶瓷材料都具有较好的机械 性能,对于密封元件来说不仅承受一定的压力,还会 承受一定的冲击力,可选用韧性较好的材料,如 Al2O3瓷,而且它价格便宜,取材容易,制造方便, 适
11、合于新型的密封元件。 (2)陶瓷材料的密封特性 采取工程陶瓷材料作为密封副结构,可充分利用 陶瓷材料的表面特性,与金属材料表面一样,尽管陶 瓷材料表面经研磨加工后表面粗糙度较低,在表面上 仍存在微观不平整性,即存在很多微凸体,典型的微 凸体与表面可形成一定的角度。另外,陶瓷材料在加 工过程中,也可能在表面和亚表面产生一些显微裂纹 和其它的缺陷。接触型密封的连接密封过程如图1所 示。在图1 (a)中为密封的初始阶段,由于陶瓷材料 存在微观不平整性,两接触面也需要一个磨合期,两 个相互接触而运动的陶瓷密封元件,在摩擦过程中, 也有一个由磨合期到稳定磨损期的过程。这是因为陶 瓷表面经磨削加工后所形成
12、的微小波峰比较容易被磨 去。这时的磨损速度较快,待这些微小波峰磨损掉 后,就进入了相对稳定的磨损期。其陶瓷密封元件的 表面达到相对光滑,这期间磨损、摩擦、摩擦热都在 发生变化。在一定压力下,此时的密封度也由低到高 变化,接触间隙随之减少。图1 (b)则表明:经过 一段时间后,两接触面进入正常的密封状态,这时的 接触间隙减少到最低限度,磨损率也最小。 (a)初始阶段 (b)密封正常工作阶段 图1 接触型密封阀的密封过程 陶瓷材料除了表面存在微凸体外,还会被一层薄 膜所覆盖。在最外层可能有一个吸附层,这种吸附层 决定于陶瓷材料的类型,对于非氧化铝陶瓷可由氧化 层覆盖。对于氧化铝陶瓷,其本身就是氧化
13、物结构, 这种覆盖层,大多是大气中凝聚的水蒸气或碳氢化合 物形成的表面物理吸附膜构成。而陶瓷材料的显微组 织是由许多微小颗粒和空穴组成,这些微观不平整性 为这种物理吸附膜的覆盖提供了条件,因此,吸附层 的形成可阻碍陶瓷材料的磨损,从而保证良好的密 封。 图2 泄漏量随时间变化率 在密封结构中,密封不好就会引起泄漏,可以说 密封与泄漏是一对共有的矛盾。泄漏是隔离物体上出 362001年第2期 现的传质现象,在陶瓷型密封结构中,由于在接触面 上存在着微观不平整性,在磨合之前和磨合之中的泄 漏是不一样的,它与密封副工作时间有密切关系,如 图2所示。在 阶段,磨合期之前的接触间隙较大, 其泄漏量相对比
14、较大,此时,接触的真实面积并不 大,只是些点接触,引起摩擦系数增大,从而加快微 凸点的磨平,随着时间的推移,两接触面的间隙逐渐 减小直至形成研合性接触状态,使得泄漏量降低到零 状态。在II阶段,磨合以后,两接触表面的不平度会 随着时间而增加,两配合的密封副表面的微凸体会相 互磨损,会使得接触面积增加,造成泄漏量随之增 加。对于工程陶瓷材料来说,由于化学稳定性好,热 稳定性较高,这种泄漏量的变化是非常缓慢的。 (3)陶瓷密封技术的应用 工程陶瓷作为密封件已经用在工业产品上好些年 了,作为整体接触型的工程陶瓷材料在密封装置中的 应用还很少见,如阀门类件,就是因为大多数为金属 密封,由于阀门类件开启
15、频繁,磨损厉害,导致密封 性能差,易腐蚀等缺陷,造成阀门中密封件经常维 修,更换等问题,因此,选择工程陶瓷材料代替原有 金属密封材料,可解决上述的一些缺陷。利用工程陶 瓷材料(如Al2O3)的硬度高,抗压强度高,化学稳 定性好等特点,可用来制造接触型密封件,而且两接 触体的材料由原来的金属材料全部用工程陶瓷材料来 取代,下面是两种接触型密封件的具体结构。 1) 分流型密封结构 图3 分流型密封结构 该密封结构由两部分组成,一部分为固定件,一 部分为活动件,从图3可看出,左边有两个进口,即 不同的流体分别进入,右边有一个出口,下图虚线部 分为活动芯片的型腔位置,此时,流体从进口2处进 入且为最大
16、流量,如果顺时针旋转活动芯片,另一种 流体就可从进口1处进入,此时开始混和两种流体进 入型腔,然后从出口处流出,其混和流体的比例由活 动芯片来控制,此种结构特点是可调节流量的大小, 分配混和流体的比例与数量,它可以用来制造一些民 用产品,如冷热水型热水器,工业产品中的节流阀 等。 2) 内流型密封结构 该密封结构也由两部分组成,一部分为固定截 件,一部分为活动件,如图4所示,图4 (a)时处于 截止状态,即密封状态,当活动芯片旋转到90 时 (如图4 (b)流体自左边进入由右边流出,流量处 于最大状态,当活动芯片为0 90 旋转时,可调节 流量的大小,此种密封结构,适用于截止阀和控制水 量的水
17、具产品等。 11 固定芯片 21 活动芯片 图4 内流型密封结构 以上列举的两种密封结构件,都具密封性能好, 耐磨性能高的优点,且结构简单,制造容易,装在工 业产品上,操作维修方便,具有很大的应用价值。 3 结论 工程陶瓷材料作为密封件虽然单体件用在工业产 品上已有多年,但作为接触型的两贴合件一起用,还 很少见。从陶瓷材料的基本性能和密封特性来看把它 作为密封元件用于密封装置中是完全可行的,随着科 学技术的进一步发展,工程陶瓷改性材料的不断出 现,将会有更多的工程陶瓷材料作为密封元件应用在 工业产品上,从上述两个密封结构实例来看,目前还 只应用在一些小压力的、管径不大的产品上,但通过 这些应用,必将促使密封技术进一步得到发展,更好 地解决我国工业生产中的能源损失、环境污染等问 题。 参考文献 1王零森,特种陶瓷,长沙:中南工业大学出版, 1994。 2扬源泉,阀门设计手册,北京:机械工业出版社, 1992。 3童幸生等,工程陶瓷密封性能的应用研究,陶瓷工程, 1999 , 11 : 153156。 4童幸生等,陶瓷密封芯片截止阀的设计与研究1 机械制造, 2000 , 5 : 3739。 46润滑与密封